物化試驗報告雙液系的氣液平衡相圖辯析

1、雙液系的氣液平衡相圖1.1 實驗?zāi)康? .用沸點儀測定在常壓下環(huán)已烷一乙醇的氣液平衡相圖。2 .掌握阿貝折射儀的使用方法。1.2 實驗原理將兩種揮發(fā)性液體混合，若該二組分的蒸氣壓不同，則溶液的組成與其平衡氣相的組成不同。在壓力保持一定，二組分系統(tǒng)氣液達到平衡時，表示液態(tài)混合物的沸點與平衡時組成關(guān)系的相圖，稱為沸點和組成（T-x）圖。沸點和組成（T-x）的關(guān)系有下列三種：（1）理想液體混合物或接近理想液體混合物的雙液系，其液體混合物的沸點介于兩純物質(zhì)沸點之間見圖 1（a）; （2）各組分蒸氣壓對拉烏爾定律產(chǎn)生很大的負偏差，其溶液有最高恒沸點見圖1（b）; （3）各組分蒸氣壓對拉烏爾定律產(chǎn)生很大的

2、正偏差，其溶液有最低恒沸點見圖1（c）。第（2）、（3）兩類溶液在最高或最低恒沸點時的氣液兩相組成相同，加熱蒸發(fā)的結(jié)果只使氣相總量增加， 氣液相組成及溶液沸點保持不變，這時的溫度稱恒沸點，相應(yīng)的組成稱恒沸組成。第一類混合物可用一般精微法分離出這兩種純物質(zhì)，第 （2）、（3）類混合物用一般精微方法只能分離出 一種純物質(zhì)和另一種恒沸混合物。圖1沸點組成圖為了測定二元液系的 T-x圖，需在氣液達到平衡后，同時測定溶液的沸點、氣相和液相組成。本實驗是測定具有最低恒沸點的環(huán)己烷一乙醇雙液系的T-x圖。方法是用沸點儀（圖2）直接測定一系列不同組成之溶液的氣液平衡溫度（即沸點），并收集少量儲出液（即氣相冷凝

3、液）及吸取少量溶液（即液相），分別用阿貝折射僅測定其折射率。為了求出相應(yīng)的組成，必須先 測定已知組成的溶液的折射率，作出折射率對組成的工作曲線，在此曲線上即可查得對應(yīng)于樣品折射率的組成。沸點儀的種類很多，圖2所示是一種帶有電阻絲加熱的沸點儀。沸騰的溶液由噴嘴噴向溫度計，因此可以測得蒸氣與液相平衡的溫度。氣相經(jīng)冷凝后貯存在小泡內(nèi)。圖2沸點儀1水冷卻入口， 2氣相冷凝液貯存小泡，3溫度計，4噴嘴，5電爐絲，6調(diào)壓器2實驗操作2.1實驗藥品、儀器型號及測試裝置示意圖1 .儀器沸點儀、調(diào)壓器、阿貝折射儀（編號 00011887）SL-1超級恒溫槽、1/10 C溫度計、酒精溫度計、滴管、放大鏡。2 .藥

4、品環(huán)己烷（分析純；20c時密度：0.778-0.779g/ml ; M1=84.16）、無水乙醇（分析純；20 c 時密度：0.789-0.791g/ml ; M=46.07）各種濃度的環(huán)已烷 一乙醇混合溶液。2.2 實驗條件表1實驗條件記錄(C)(kPa)氣濕度(C)(kPa)氣濕度17.8102.7835%19.1102.7935%2.3 實驗操作步驟及方法要點1 .測定溶液的折射率用阿貝折射儀測定環(huán)己烷、無水乙醇以及由環(huán)已烷一乙醇組成的標準溶液的折射率，作 折射率對組成的工作曲線。折射儀使用方法見儀器5。2 .檢查待測樣品的濃度在通電加熱之前，檢查沸點儀內(nèi)的待測樣品的濃度是否合適。若濃度

5、不符合要求，則加環(huán)己烷或乙醇調(diào)正。3 .測定液相和氣相組成分別測定質(zhì)量百分數(shù)為 10%、 30%、69.5%、92%、97. 5%、100%的環(huán)已烷一乙醇 溶液在沸點下的液相和氣相的組成。測定方法如下：接通電源，通冷卻水，按要求調(diào)節(jié)調(diào)壓器， 加熱溶液至沸騰。 待其溫度計上所指示的溫度保持恒定后，讀下該溫度值，同時停止加熱，并立即在小泡中取氣相冷凝液，迅速測定其折射率，冷卻液相，然后用滴管將溶液攪均后取少量液相測定其折射率。若認為數(shù)據(jù)不可靠,重復(fù)上述操作。注意：每次測量折射率后，要將折射儀的棱鏡打開晾干，以備下次測定用。4 .繪圖由實驗數(shù)據(jù)（溫度可先不校正）繪制沸點一一組成草圖，根據(jù)圖形決定補測

6、若干點數(shù)據(jù)。5 .注意事項1）加熱電阻絲的電壓不得超過40V。2） 一定要使體系達到氣液平衡即溫度穩(wěn)定后才能取樣分析。3）取樣后的滴管不能倒置。4）取氣相冷凝液的同時，停止加熱。待被測液相溶液冷卻后測其折射率。5）使用阿貝折射儀時，棱鏡行不能觸及硬物（特別是滴管）。棱鏡上加入被測溶液后立即關(guān)閉鏡頭。實驗中必須使用同一臺阿貝折射儀。6）實驗過程中必須在沸點儀的冷凝管中通入冷卻水，使氣相全部冷凝。3結(jié)果與討論3.1 原始實驗數(shù)據(jù)1）原始實驗測量數(shù)據(jù)以下數(shù)據(jù)測定過程中阿貝折射儀（恒溫槽）溫度為25.0 Co（a）環(huán)己烷一乙醇標準溶液組成與折射率的測量數(shù)據(jù)表2環(huán)己烷一乙醇標準溶液組成與折射率測量原始數(shù)

7、據(jù)標準溶液組成（環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)）0%（乙醇）13.2%29.0%48.6%69.2%83.5%100%（環(huán)己烷）折射率1.36011.36711.37501.38741.40191.41271.4249（b）雙液系平衡溫度、液相和氣相組成的測量數(shù)據(jù)表3雙液系平衡溫度、液相和氣相組成的測量數(shù)據(jù)溶液組成（環(huán)己烷質(zhì)里分數(shù)）0%（乙醇）10%30%69.5%90%96%100%（環(huán)己烷）沸點（t°） /C78.4073.7567.3064.8065.3468.2080.79器外度數(shù)（n）28.9024.2919.3313.9123.9119.7330.64輔助溫度計讀數(shù)（ts）/C23.02

8、0.0520.323.021.124.024.0氣相折射率1.36001.36701.39651.40021.40321.40601.4245液相折射率1.36031.36221.37431.39911.41601.42201.42392）實驗相關(guān)數(shù)據(jù)記錄表4實驗相關(guān)數(shù)據(jù)（文獻值）名稱劃、已烷沸點乙醇沸點環(huán)己烷一乙醇 恒沸點環(huán)己烷一乙醇恒沸混合物組 成（劃、己烷質(zhì)量分數(shù)）數(shù) 值80.74 C78.32 C64.90 C69.50%3.2 計算的數(shù)據(jù)、結(jié)果1）環(huán)己烷一乙醇標準溶液的組成一一折射率工作曲線將表2中的數(shù)據(jù)用作圖法表示出來，可得到環(huán)己烷一乙醇標準溶液的組成折射率工作曲線。結(jié)果如下一頁圖

9、3所示：溶液組成（環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)）圖3環(huán)己烷一乙醇標準溶液的組成 折射率工作曲線通過回歸分析，可得標準曲線的方程為：y = 0.0167x2 + 0,0485x + 1.3601,其R2 = 0.9997。根據(jù)此式可以利用折射率數(shù)值求得溶液的組成。2）雙液系平衡溫度、液相和氣相組成的測量數(shù)據(jù)的計算和處理溫度校正公式為：t' =0+ K -n （t0-ts）,其中K=0.00016。氣相和液相環(huán)己烷質(zhì)量 分數(shù)可通過所得的工作曲線方程y = 0.0167x2 + 0.0485x + 1.3601求得。把氣液兩相平衡時的各個數(shù)據(jù)計算處理列入表格內(nèi)，結(jié)果匯總見下表5:表5進行計算和校正后的數(shù)據(jù)

10、匯總?cè)芤航M成（環(huán)己烷質(zhì)里分數(shù)）0%（乙醇）10%30%69.5%90%96%100%（環(huán)己烷）沸點（t0）/C78.4073.7567.3064.8065.3468.2080.79器外度數(shù)（n）28.9024.2919.3313.9123.9119.7330.64輔助溫度計讀數(shù)（ts） /C23.020.0520.323.021.124.024.0校正后沸點（t） /C78.6673.9667.4564.8965.5168.3481.07氣相環(huán)己烷質(zhì)里分數(shù)0.0%13.6%61.9%67.2%71.3%75.2%99.0%液相環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)0.4%4.3%26.8%65.6%88.4%95.9

11、%98.3%3）利用所得數(shù)據(jù)作環(huán)己烷一乙醇體系的沸點一一組成圖將表5中的數(shù)據(jù)作圖，可得環(huán)己烷 一乙醇體系的沸點 一一組成圖（見下圖4）840.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00溶液組成（環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)）圖4環(huán)己烷一乙醇體系的沸點 組成圖根據(jù)上頁中圖4中環(huán)己烷一乙醇體系的沸點 一一組成圖，可求得：最低恒沸點約為 64.85 Co相應(yīng)的恒沸混合物的組成（環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)）約為 0.688 （即68.8%）。3.3 討論分析1）測定結(jié)果與文獻值的比較由文獻值（見表 4）可知：環(huán)己烷沸點為80.74 °C,乙醇的沸點為 78.32 °

12、C,環(huán)己烷一乙醇體系的最低恒沸點為 64.90 C,恒沸物組成為 69.50% （環(huán)己烷質(zhì)量分數(shù)）。本次實驗中的測得結(jié)果（校正后）分別為 81.07 C （環(huán)己烷），78.66 C （乙醇）和 64.85 C （最低恒沸點），68.8% （恒沸物組成）。測定結(jié)果與文獻值的相對誤差為£ （環(huán)己烷沸點） =（81.07-80.74/81.07） 100%=0.4071%£ （乙醇?點）=（78.66-78.32/78.66） 100%=0.4322%£ （最低恒沸點） =（64.90-64.85/64.85） 100%=0.0771%£ （恒沸物白組成） =

13、（0.695-0.688/0.688） 100%=1.017%考慮到本次實驗的條件（見表1）與文獻值測定的條件不同，測定值與文獻值之間的偏差是比較小的，處在合理的范圍之內(nèi)，說明本次測量的結(jié)果較為可靠。2）測量過程中產(chǎn)生誤差的可能原因及分析測量過程中產(chǎn)生誤差的原因可能有以下幾點：（a）溫度校正中引入的誤差：在進行溫度校正的過程中，雖然采用了科學(xué)有效的校正方法和計算公式，但是由于測量儀器的精確度有限，而且露出體系外水銀的平均溫 度和輔助溫度計測得的溫度不可能完全一致（特別是在橡膠塞內(nèi)的那一部分水銀柱并 沒有在校正過程中予以考慮），所以可能導(dǎo)致測量過程中的誤差。（b）實驗條件改變：在測量過程中，雖然

14、采用恒溫槽使得阿貝折射儀的棱鏡處于恒 溫狀態(tài)，但其他儀器的實驗條件很可能出現(xiàn)改變。這其中包括環(huán)境溫度和氣壓的改變 導(dǎo)致沸點儀所處環(huán)境的改變。（c）測量體系的改變：在實驗數(shù)據(jù)的處理過程中認為測量體系的組成沒有變化，但是在實際情況下，很可能由于操作原因改變測量體系的組成。具體而言，在從沸點儀 取樣的過程中，以及進行折射率測量時，體系會有微量蒸發(fā)，從而使得體系的組成發(fā) 生變化，即所測得的組成與液相和氣相的實際組成不完全一致。（d）測定儀器的誤差：測量過程中使用了刻度尺（測器外度數(shù)）和阿貝折射儀，溫度計等儀器。由于系統(tǒng)誤差，測得數(shù)據(jù)與實際可能有所差異，導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差。3）對實驗中異?，F(xiàn)象的分析和討

15、論沸點數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象：在測量沸點時，溫度計的數(shù)值開始并不穩(wěn)定，時會出現(xiàn)波 動。這一想象產(chǎn)生的原因主要是從沸點儀噴嘴中噴出的液流不夠穩(wěn)定，從而使得溫度 計水銀球處的溫度不恒定。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)加熱電壓，使噴出液流連續(xù)而穩(wěn)定，當(dāng)溫度 計的讀數(shù)處于恒定狀態(tài)后再進行測量，即可避免此異?，F(xiàn)象的影響。4）對儀器裝置、操作步驟、實驗方法的改進意見及體會完成全部實驗和后期數(shù)據(jù)處理后，我深切地感受到這次實驗利用我們所掌握的物 化知識，從實驗的角度對我們進行了一次充分的訓(xùn)練。最后所取得的實驗結(jié)果是次要 的，而我們所掌握的物化實驗方法和對實驗過程的總結(jié)分析才是關(guān)鍵。結(jié)合實驗具體 過程和感受，我對本項試驗有如下幾點建議和

16、體會：（a）數(shù)據(jù)記錄過程：在本次實驗過程中， 數(shù)據(jù)是人為判讀和記錄的，因此很可能會引入人為造成的偶然誤差，如果條件允許可考慮采用數(shù)字式溫度計進行溫度記錄。（b）阿貝折射儀的使用：在使用時不應(yīng)移動、晃動儀器，或者調(diào)節(jié)恒溫槽的溫度。另外，在測定時務(wù)必調(diào)節(jié)反光鏡使得明暗分界線清晰，以使得測量更準確。（c）實驗裝置和過程的設(shè)計：試驗中每次用滴管取液體時應(yīng)該使用不同的滴管，否則可能使得不同組成的液體混合，因此最好用標簽紙對每個滴管進行標記，專管專用，以避免誤差的產(chǎn)生。（d）重復(fù)實驗以消除誤差：實驗中如果時間允許，最好用阿貝折射儀對氣相和液相 的折射率進行多次測量，取平均值作為結(jié)果，這樣可以減小實驗過程中的偶然誤差。5）本次實驗的總結(jié)與體會在本次物理化學(xué)實驗的過程中，物理化學(xué)實驗室的賈維杰助教老師對我們進行了 耐心的指導(dǎo)，給予了我們熱情的幫助。當(dāng)我們在實驗中出現(xiàn)了問題，老師也沒有過多 責(zé)備我們，而是悉心地進行講解，幫助我們想辦法調(diào)整和修正，繼續(xù)后續(xù)的實驗。如 果沒有各位老師和助教的辛勤準備和付出，我們絕對無法順利的完成本次的實驗。您 辛苦樂，非常感謝您！4結(jié)論本次實驗通過沸點儀和阿貝折射儀測定在常壓下環(huán)已烷一乙醇的氣液平衡相圖（圖4）。有所得相圖可求得的環(huán)己烷 一